一种钛合金钻杆接头及其制作方法

技术领域

本发明涉及钻杆技术领域，具体为一种钛合金钻杆接头及其制作方法。

背景技术

钛合金钻杆用于油气开采，其耐腐蚀性能优良，比强度高(同等强度下比重仅为镍基的50％左右)，对高含硫的深井、超深井开发极其有利。同时，钛合金的弹性模量低，弯曲度高，适合小半径等复杂井况。钛合金还具有钢制材料无法比拟的疲劳性能，可以大幅提升装备的使用寿命。

钻杆接头耐磨带是沿接头圆周方向，具有一定宽度和厚度的隔离带。在深井钻井、大位移井钻井和大斜度井钻井中，利用耐磨带材料自身的耐磨性和减摩性，将钻杆外壁和套管内壁相隔离，使钻杆接头不与套管壁或者井壁直接接触，从而避免钻杆接头外表面的磨损，常用的耐磨带是钢制的，但是钢制的耐磨带与钛共溶后生成金属间化合物，极易开裂，因此铁与钛无法通过焊接实现连接，其熔敷带与钛合金钻杆的结合能力无法保障，采用钛制的耐磨带成本太高，增加了经济成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种钛合金钻杆接头及其制作方法，可以实现钛合金钻头与钢之间的高效、可靠连接，使得钛合金钻杆兼具耐腐蚀性和耐磨性，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钛合金钻杆接头，包括覆盖在其表面的耐磨带，耐磨带包括中间介质层和耐磨钢，中间介质层用于防止钛合金钻杆接头和耐磨钢断裂。

作为本发明的一种优选技术方案，所述中间介质层为钛或钛合金。

作为本发明的一种优选技术方案，所述中间介质层的厚度为1.5～3mm，耐磨钢的厚度为2.5～3mm。

作为本发明的一种优选技术方案，所述中间介质层与耐磨钢之间通过轧制复合方式连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述中间介质层与耐磨钢之间通过爆炸复合方式连接。

一种钛合金钻杆接头的制作方法，包括以下步骤：

1)耐磨带的准备：耐磨带按钛合金钻杆接头直径进行弯制，将耐磨带的中间介质层进行修磨清理，并用丙酮清洁；

2)钛合金钻杆接头准备：钛合金钻杆接头外表面的焊接部位经机加工修磨后，用丙酮清洗；

3)缠绕及定位：将耐磨带缠绕在钛合金钻杆接头上，卡箍拧紧后通过点焊方式对耐磨带进行定位；

4)耐磨带焊接：耐磨带缠绕后，将耐磨带两端的中间介质层进行对焊，清理焊缝余高后进行外层耐磨钢对焊，最后沿耐磨带边部360°进行固定焊接，中间缝隙通过钛丝完成堆焊。

5)热处理：保护气氛400～600℃，保温2h后消应力退火。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤1中耐磨带的端部沿中间介质层-耐磨钢结合面开30°坡口。

作为本发明的一种优选技术方案，所述耐磨带的焊接条数为4～6条，耐磨带之间为平行设置，相邻的耐磨带间距为1～2mm。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤4中钛丝的堆焊高度不超过2mm。

作为本发明的一种优选技术方案，所述耐磨带与钛合金钻杆接头之间焊接采用激光熔丝焊接，工作距离为130～180mm、离焦量0～20mm、峰值功率2～ 4KW、速度2-4mm/min，保护拖罩15-25L/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本钛合金钻杆接头及其制作方法设计新颖，构思巧妙，表层克服了钛合金熔覆金属耐磨性差的难题，达到堆焊钢的耐磨效果，内层可以满足与基体钛合金的良好焊接，同时耐磨带中钛层具有一定的厚度确保焊接的可靠性，不仅降低了钛合金钻杆接头的经济成本，同时提高了耐磨带的综合耐磨性能，为石油、天然气开采能力的提升提供可靠的保障。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：一种钛合金钻杆接头，包括覆盖在其表面的耐磨带，耐磨带包括中间介质层和耐磨钢，中间介质层优选为钛，钛与耐磨钢通过爆炸复合方式连接，钛的厚度为1.5mm，耐磨钢的厚度为2.5mm，钛与耐磨钢组成的耐磨带宽度为8mm，钛与耐磨钢之间通过爆炸复合方式连接，钛合金钻杆接头的制作方法，包括以下步骤：

1)耐磨带的准备：切割长度300mm的耐磨带，耐磨带端部沿钛-钢结合面开30°坡口，以便实现钛的对焊；以直径为93.8mm的钛合金钻杆接头为对象进行弯制；将耐磨带的钛面进行修磨清理，并用丙酮清洁；

2)钛合金钻杆接头准备：钛合金钻杆接头外表面的焊接部位经机加工修磨后，用丙酮清洗；

3)缠绕及定位：将四条耐磨带缠绕在钛合金钻杆接头上，卡箍拧紧后通过点焊方式对耐磨带进行定位，相邻的耐磨带间距为1mm。

4)耐磨带焊接：耐磨带缠绕后，将耐磨带两端的钛层进行对焊，清理焊缝余高后进行外层耐磨钢对焊，最后沿耐磨带边部360°进行固定焊接，耐磨带之间的间隙采用直径1.5mm的钛丝对焊填满，高度不超过2mm，耐磨带与钛合金钻杆接头之间在氩气保护下采用激光熔丝焊接，工作距离为150mm、离焦量10～15mm、峰值功率3KW、速度4mm/min，保护拖罩15L/min。

5)热处理：保护气氛500℃，保温2h后消应力退火。

其中钛-钢之间的剪切力≥190Mpa，耐磨带与钛合金钻杆接头之间的剪切力≥350Mpa，耐磨带的表面硬度为60HRC。

实施例2：一种钛合金钻杆接头耐磨带，包括覆盖在其表面的耐磨带，耐磨带包括中间介质层和耐磨钢，中间介质层优选为钛，钛与耐磨钢通过爆炸复合方式连接，钛的厚度为2mm，耐磨钢的厚度为3mm，钛与耐磨钢组成的耐磨带宽度为10mm，钛与耐磨钢之间通过爆炸复合方式连接，钛合金钻杆接头的制作方法，包括以下步骤：

1)耐磨带的准备：切割长度471mm的耐磨带，耐磨带端部沿钛-钢结合面开30°坡口，以便实现钛的对焊；以直径为147mm的钛合金钻杆接头为对象进行弯制；将耐磨带的钛面进行修磨清理，并用丙酮清洁；

2)钛合金钻杆接头准备：钛合金钻杆接头外表面的焊接部位经机加工修磨后，用丙酮清洗；

3)缠绕及定位：将五条耐磨带缠绕在钛合金钻杆接头上，卡箍拧紧后通过点焊方式对耐磨带进行定位，相邻的耐磨带间距为2mm。

4)耐磨带焊接：耐磨带缠绕后，将耐磨带两端的钛层进行对焊，清理焊缝余高后进行外层耐磨钢对焊，最后沿耐磨带边部360°进行固定焊接，耐磨带之间的间隙采用直径2mm的钛丝对焊填满，高度不超过2mm，耐磨带与钛合金钻杆接头之间在氩气保护下采用激光熔丝焊接，工作距离为165mm、离焦量 10～15mm、峰值功率4KW、速度4mm/min，保护拖罩20L/min。

5)热处理：保护气氛450℃，保温2h后消应力退火。

其中钛-钢之间的剪切力≥210Mpa，耐磨带与钛合金钻杆接头之间的剪切力≥300Mpa，耐磨带的表面硬度为58HRC。

实施例3：一种钛合金钻杆接头耐磨带，包括覆盖在其表面的耐磨带，耐磨带包括中间介质层和耐磨钢，中间介质层优选为钛，钛与耐磨钢通过爆炸复合方式连接，钛的厚度为2mm，耐磨钢的厚度为3mm，钛与耐磨钢组成的耐磨带宽度为9mm，钛与耐磨钢之间通过爆炸复合方式连接，钛合金钻杆接头的制作方法，包括以下步骤：

1)耐磨带的准备：切割长度646mm的耐磨带，耐磨带端部沿钛-钢结合面开30°坡口，以便实现钛的对焊；以直径为203mm的钛合金钻杆接头为对象进行弯制；将耐磨带的钛面进行修磨清理，并用丙酮清洁；

2)钛合金钻杆接头准备：钛合金钻杆接头外表面的焊接部位经机加工修磨后，用丙酮清洗；

3)缠绕及定位：将六条耐磨带缠绕在钛合金钻杆接头上，卡箍拧紧后通过点焊方式对耐磨带进行定位，相邻的耐磨带间距为2mm。

4)耐磨带焊接：耐磨带缠绕后，将耐磨带两端的钛层进行对焊，清理焊缝余高后进行外层耐磨钢对焊，最后沿耐磨带边部360°进行固定焊接，耐磨带之间的间隙采用直径1.5mm的钛丝对焊填满，高度不超过2mm，耐磨带与钛合金钻杆接头之间在氩气保护下采用激光熔丝焊接，工作距离为180mm、离焦量10～15mm、峰值功率4KW、速度3mm/min，保护拖罩25L/min。

5)热处理：保护气氛500℃，保温2h后消应力退火。

其中钛-钢之间的剪切力≥200Mpa，耐磨带与钛合金钻杆接头之间的剪切力≥320Mpa，耐磨带的表面硬度为62HRC。

对比例：选用长度为470mm的钢制耐磨带，采用与实施例1-3中相同的焊接方法将钢制耐磨带与直径为140mm的钛合金钻杆接头焊接在一起。

钢制耐磨带与钛合金钻杆接头之间的剪切力≥50Mpa，结合能力低，在钻取过程中耐磨带容易脱落，提高了开采的难度。

本发明利用钛与耐磨钢复合作为耐磨带基材，内层钛与钛合金钻头接头通过焊接实现可靠连接，使得钛合金钻杆既具有耐腐蚀性，在开采时又兼具耐磨性，焊后采用消应力热处理工艺消除焊接产生的应力，提高接头的疲劳性能，降低了经济效益，对于开采石油、天然气等具有重大的突破。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。